Ученые Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ) РАН провели эксперименты, направленные на прогнозирование поведения радионуклидов в случае разрушения хранилища или нарушения его герметичности. Они выяснили, что при взаимодействии стекломатрицы, содержащей радиоактивные отходы, с грунтовыми водами, прошедшими сквозь глинистый инженерный барьер, хрупкий коррозийный слой на ее поверхности образуется быстрее, чем при взаимодействии с дистиллированной водой.
Наиболее ярко образование коррозийного слоя, который влияет на высвобождение включенных в матрицу радионуклидов, заметно при воздействии на стекломатрицу бентонитовой воды. При этом именно бентонитовые глины сегодня признают наиболее перспективным водоупорным материалом при организации хранилища для ядерных отходов.
Безопасная утилизация радиоактивных отходов — одна из ключевых задач атомной промышленности. На сегодняшний день подземные глубинные захоронения еще не построены. В рамках реализации целевой программы «Обеспечение ядерной и радиационной безопасности на 2016-2020 годы и на период до 2030 года» планируется построить такое захоронение.
Для изоляции радиоактивных отходов предлагается использовать боросиликатные и фосфатные стекла. Они обладают достаточной прочностью и малой восприимчивостью к воздействию радиации. Кроме того, остекловывание радиоактивных отходов значительно уменьшает их объем, что экономит место в хранилищах.
Ядерные отходы помещаются в подходящую стекломатрицу и «запечатываются» герметизирующей глиной. Для этих целей планируется использовать бентонит, цеолит, каолин и другие виды глин.
Один из параметров применимости стекломатрицы для сдерживания радиоактивных отходов — это проверка на ее устойчивость к выщелачиванию радионуклидов. С течением времени или в случае аварийных ситуаций (например, разгерметизации хранилища) возможно взаимодействие грунтовых вод, прошедших через глинистую засыпку, со стекломатрицей. Поэтому сейчас ученые ГЕОХИ РАН проводят исследования, направленные на моделирование взаимодействия для различных стекломатриц и глинистых материалов, и дают оценку возможных коррозионных последствий.
«Мы изучили влияние процесса вымывания образцов алюмофосфатного, алюможелезофосфатного и боросиликатного стекла при взаимодействии с модельными растворами подземных вод при повышенной температуре, имитирующей альфа-распад включенных в стекло отходов. Используемые воды имитировали проход через глинистые инженерные барьеры различной природы. Мы выяснили, что все образцы стекла при взаимодействии с модельной водой имеют тенденцию к образованию хрупкого коррозионного слоя, а также к структурным изменениям, что наиболее выражено при взаимодействии с бентонитовой водой. При этом следует учитывать, что бентонит — это наиболее перспективный материал из-за своих изолирующих буферных свойств, поэтому необходимо учитывать возможное негативное воздействие бентонита по отношению к стекломатрице при создании и эксплуатации инженерных барьеров», — рассказала младший научный сотрудник лаборатории радиохимии ГЕОХИ РАН Анна Фролова.
Как отмечают авторы исследования, коррозионный слой в данном случае — это поверхностный слой самопроизвольно разрушенной стекломатрицы. Из-за нарушения структурной сетки стекла при коррозии возможен выход радионуклидов в окружающую среду. Образование коррозионных слоев и скорость этого процесса можно отследить в лабораторных условиях и использовать эти знания, масштабировав на подземные захоронения. Там стекломатрица будет закрыта несколькими слоями различных инженерных барьеров в рамках мультибарьерной концепции, и прямое наблюдение будет невозможно.
По мнению ученых ГЕОХИ РАН, избежать радиационного загрязнения окружающей среды поможет использование смешанного глинистого барьера. Он сохранит уплотнительные свойства бентонита, но при этом уменьшит его агрессивное воздействие. Подбор конкретного состава такого барьера требует дополнительных исследований.
В планах у ученых также — выяснить, как поведут себя инженерные барьеры при иммобилизации (включении радиоактивных отходов в твердые устойчивые формы) наиболее опасных компонентов отходов, в частности, альфа-излучателей — плутония и нептуния, способных к коллоидообразованию, которому может способствовать наличие в подземной воде микрочастиц глины.
Коллоид представляет собой смесь, в которой одно вещество, состоящее из микроскопически рассеянных нерастворимых частиц (в нашем случае это будут частицы глины, содержащие плутоний), взвешено в другом веществе (подземная вода). Коллоиды остаются в объеме подземной воды и перемещаются вместе с ней в окружающую среду.
Научная новость опубликована в журнале Ceramics International Исследование выполнено в рамках гранта Российского научного фонда (проект №20-73-00313).